基于港區泊穩的廈門港將軍澳作業區碼頭平面布置方案研究

劉舒穎 福建省交通規劃設計院有限公司

1.引言

赤湖工業園地處漳州市漳浦縣中部臨海區，東毗前湖灣、南臨將軍灣，是重要的省級工業區。近年來赤湖工業園轉型升級和臨港產業的落地發展對港口運輸提出了迫切需求，預計將軍澳作業區2035年貨物吞吐量將達到1610萬噸。為適應赤湖工業園臨港產業和社會經濟發展需要，協調處理好港口開發與地方經濟產業發展之間的關系，合理利用港口岸線資源，迫切需要對將軍澳作業區進行規劃建設，特別是基于港區泊位泊穩條件對將軍澳作業區碼頭平面布置方案進行比選。

沿海港口作業區平面布置方案研究一直是業內科研人員關注的熱點，也有許多學者對不同港區泊穩分析開展研究，并取得了一系列成果。丁兆寬等人[1]為提高日照港石臼灘港區擴建碼頭工程的港內泊穩條件，開展了波浪斷面物理模型試驗研究不同結構碼頭反射系數，建立了港區波浪傳播數學模型，研究了不同方案組合下的港內泊穩條件。董勝等人[2]基于MIKE21-BW模型，考慮波浪的折射、繞射、反射及破碎等物理過程，模擬人工游艇碼頭港域的波浪傳播變形過程，研究港域波浪分布狀況。吳亞楠等人[3][4]考慮波浪的反射、繞射、破碎等物理現象，建立了近岸波浪數學模型，對威海船廠港區單向不規則波傳播變形過程進行數值模擬，并基于MIKE21-BW模型，開展了秦皇島某港口防波堤工程的不同布局方案泊位穩定性分析。

廈門將軍澳作業區外海波浪條件較為復雜和平面布置受制因素也與以往不同，所以建立將軍澳波浪數學模型，研究不同布置方案下港區與外海比波高及泊穩條件，提出滿足泊穩要求的平面布置方案，可為類似沿海碼頭作業區工程布置提供技術參考。

圖1 工程區地理位置

2.將軍澳區域概況

廈門港古雷港區將軍澳作業區地處漳浦縣赤湖工業園南側，將軍灣北部海域，地理位置：東經117°53′，北緯24°01′，水路北距上海567海里，東距高雄160海里，南至香港289海里，可以暢通地與沿海諸港通航，具體如圖1所示。工程正對臺灣海峽，風浪較大，附近海灣眾多，動力條件十分復雜。為保障碼頭工程建設后的靠離泊安全及系泊作業安全，開展波浪數學模型試驗。

3.將軍澳區域波浪數學模型

3.1 模型范圍及網格

圖2 數學模型計算范圍及水深分布

圖3 數學模型計算網格

圖4 潮汐、水流測站位置

圖5 潮位驗證

圖6 大潮水流驗證

圖7 中潮水流驗證

圖8 小潮水流驗證

圖9 將軍澳作業區規劃方案一

圖10 將軍澳作業區規劃方案二

圖11 將軍澳作業區規劃方案三

圖12 方案一泊位分布

圖13 方案一E向比波高分布

采用模型嵌套的方法，由大范圍模型提供外海開邊界潮位條件，模擬工程附近海域的潮汐動力。模型選取范圍的水深分布見圖2，測量基準為理論基面，最大水深約為45m。通過三角形網格能夠較好地擬合不規則地岸線邊界，工程前岸邊界、島嶼與將軍澳附近網格分辨率約為70m，網格單元數為19235個，節點數為9861個，工程區周圍的最小網格為7m，數學模型計算網格剖分見圖3。

由于碼頭前沿有防波堤的掩護，港內的波浪受到掩護，港內波高將減小，為計算不同平面方案下小范圍的波浪分布情況，建立港內波浪折射繞射和反射數學模型，通過不同平面方案港內波浪場計算，確定不同平面方案下各碼頭泊位處港內和外海的波高比值。網格間距為5米。時間步長為1s。碼頭前的反射系數為1.0，斜坡式防波堤前的反射系數為0.5，時間步長為1s。

3.2 模型驗證

基于海洋三所提供的工程區周圍潮汐、潮流實測資料，對數學模型進行驗證。水流監測日期為2009年11月24日至12月8號，包含了大、中、小潮三個潮型，潮位資料為六鰲和將軍澳的實測數據，潮汐、潮流的測點位置見圖4，共布置了8個潮流測點和2個潮位測點。圖5為2個潮位測點的潮位驗證結果，可以看出兩個潮位站的潮位模擬值與實測值吻合較好，誤差小于0.1m，潮波位相與實測結果吻合良好。

圖6～圖8分別為大、中、小潮的水流流速流向驗證結果。從模擬及實測結果來看，幾個測點的潮流以往復流為主，根據潮流與潮汐的對應關系，可以發現漲潮流西南向，落潮流東北向。漲落急時刻發生于最高及最低潮位附近，接近于前進波的性質。其中5#的漲落急流速相對較大，其中大潮漲急流速約1.15m/s，大潮落急流速約0.95m/s。大潮、中潮、小潮的漲落急流速依次有所減小。

從驗證結果看各測點的潮流模擬結果與實測結果吻合較好，漲急、落急出現的時刻相當。表明大范圍數學模型提供的邊界條件，以及模型計算參數的取值是合理、正確的。

4.碼頭平面布置方案優化

由于強浪向和常浪向是NE～E～SSE，防波堤走向成南北向和東北-西南走向，口門位置朝向西南。首先考慮布置西側和東側兩個防波堤方案，如圖方案一和方案二；第二階段，在方案一的基礎上，又對南側防波堤進行了南北調整，形成了方案三。針對方案一和方案三，又分別對東向防波堤進行了角度的調整。本文選取三個有代表性的防波堤布置方案進行方案比選。

4.1 初步方案布置

1）方案一。防波堤走向N-SSW，北側泊位前沿線布置在-6m～-10m等深線之間，南側泊位前沿線布置在-17m等深線附近，口門寬度約400m，港池水域面積9.8萬m2。港內北側布置3個2-5萬噸級泊位（1號-3號泊位），東側和南側布置5個5-10萬噸級泊位（4號-8號泊位）。

2）方案二。防波堤走向NW-SESW，北側泊位前沿線布置在-6m～-8m等深線之間，南側泊位前沿線布置在-12m等深線附近，港池水域面積5.3萬m2。港內北側布置3個2-5萬噸級泊位（1號-3號泊位），東側和南側布置3個5-10萬噸級泊位（4號-6號泊位）。

3）方案三。防波堤走向N-SSW；北側泊位前沿線布置在-4m～-6m等深線之間，南側泊位前沿線布置在-14m等深線附近；口門寬度約300m，港池水域面積6.0萬m2。港內北側布置2個2-5萬噸級泊位（1號-2號泊位），東側和南側布置4個5-10萬噸級泊位（4號-6號泊位），西側布置2個1-2萬噸級泊位（7號-8號泊位）。

4.2 不同布置方案泊穩條件分析

《海港總體設計規范》規定[5]，2萬噸集裝箱碼頭橫浪允許作業的H4%波高為0.7m，順浪允許作業的H4%波高為1.0m。對于5萬噸級散貨船碼頭，橫浪允許作業的H4%波高為0.8m，順浪允許作業的H4%波高為1.2m。對于2萬噸級碼頭，允許作業的波周期為6s；對于大于2萬噸級碼頭，允許作業的波周期為8s。

由圖12可見，方案一中的8個泊位按順時針方向依次編號為A1～A8，方案二、三的泊位編號遵循同樣的規律。圖13表明，當波浪從E向傳來時，港內泊位比波高較小，結合表1所示的方案一各向波浪下各控制點的比波高值，可以發現當波浪從E～ESE向傳來時，防波堤對港內的掩護良好。

表1 方案一各向波浪下各控制點的比波高值

表2 方案一受波浪影響的不可作業天數

表3 方案二受波浪影響的不可作業天數

表4 方案三受波浪影響的不可作業天數

根據浮頭灣站的波浪觀測資料及各方向下的各控制點的波高比值來確定各方案的不可作業天數。估算不可作業天數有兩個方法，一種為按頻率統計，另一種判別方法為：若每天有幾次以上不滿足波高、波周期（或風速）之一即視為該天不可作業。表2為方案一各泊位受波浪影響的不可作業天數，可見1～3號泊位受波浪影響較小，而4～8號受波浪影響的不可作業天數在3天以下。

方案二、三的不可作業天數分別如表3、4所示，不難發現方案一的不可作業天數明顯較小，表明考慮港區泊穩條件情況下，方案一平面設計優于方案二和方案三。

5.主要結論

（1）當波浪從E～ESE向傳來時，防波堤對港內掩護良好，但波浪的反射、繞射等作用，使得方案二、三平面布置方案防波堤掩護作用相對較差，故在港區平面布置中應充分考慮波浪反射、繞射等影響；

（2）根據港內波浪掩護條件，三個平面設計方案由優到劣排序依次為：方案一>方案二>方案三；

（3）方案一中防波堤對1～3號泊位掩護作用良好，而4～8號受波浪影響較大，不可作業天數在3天以上。